/ / Генератори на сигнали за създаване на сигнали за синхронизация

Генератори на сигнали за създаване на сигнали за синхронизация

Генератори на сигнали

В предишните уроци, в които сме разглеждалидетайл в трите различни типа мултивибраторни схеми на основния транзистор, които могат да бъдат използвани като релаксационни осцилатори, за да произвеждат или квадратна или правоъгълна вълна на техните изходи за използване като часовник и синхронизиращи сигнали.

Но също така е възможно да се конструират основни Генератор на вълнова форма вериги от прости интегрални схеми или. \ tоперационни усилватели, свързани към резервоарна верига на резистор-кондензатор (RC) или към кварцов кристал, за да произведат необходимата форма на вълнова изходна или квадратна вълна на желаната честота.

Това ръководство за генериране на форма на вълната ще бъденепълна без някои примери за цифрови регенеративни комутационни схеми, тъй като тя илюстрира както превключващото действие, така и работата на генератори на сигнали, използвани за генериране на квадратни вълни за използване като времеви или последователни вълни.

Ние знаем, че регенеративните комутационни схеми като Нестабилни мултивибратори са най-често използваният тип релаксационен осцилатор, тъй като те произвеждат постоянен квадратен изход, което ги прави идеални като цифров Генератор на вълнова форма.

Неустойчивите мултивибратори правят отлични осцилаторизащото непрекъснато преминават между двете си нестабилни състояния при постоянна честота на повторение, като по този начин произвеждат непрекъснат квадратен изход с 1: 1 съотношение марка-пространство ("ON" и "OFF" пъти) от неговия изход и в този урок ще разгледаме някои от различните начини, по които можем да изградим генератори на сигнали, използвайки само стандартни TTL и CMOS логически схеми, заедно с някои допълнителни дискретни компоненти.

Генератори на вълновата форма на Schmitt

прост Генератори на сигнали може да се конструира с помощта на основния тригер на Шмитинвертори за действие като TTL 74LS14. Този метод е далеч най-лесният начин да се създаде основен генератор на нестабилни вълни. Когато се използва за произвеждане на часовник или синхронизиращи сигнали, нестабилният мултивибратор трябва да създаде стабилна форма на вълната, която превключва бързо между нейните “HIGH” и “LOW” състояния без никакво изкривяване или шум, а инверторите на Schmitt правят точно това.

Знаем, че изходното състояние на Шмитинверторът е обратен или обратен на този на неговото входно състояние, (НЕ принципите на врата) и че той може да променя състоянието на различни нива на напрежение, като му дава „хистерезис“.

Инверторите на Schmitt използват задействащо действие на Шмиткоето променя състоянието между горно и по-ниско прагово ниво, тъй като сигналът на входното напрежение се увеличава и намалява около входния терминал. Това горно прагово ниво "задава" изхода и долното прагово ниво "нулира" изхода, който се равнява на логика "0" и логика "1" съответно за инвертор. Помислете за веригата по-долу.

Генератор на вълни на инвертора на Schmitt

генератор на вълновата форма на Шмит

Тази проста верига генератор на сигнали се състоина един TTL 74LS14 инверторен логически вход с кондензатор, C, свързан между неговия вход и земята, (0v) и положителната обратна връзка, необходима за веригата да осцилира, осигурена от резистор за обратна връзка, R.

И така, как работи ?. Да приемем, че зарядът в кондензаторните платки е под долното прагово ниво на Schmitt от 0,8 волта (стойност на листа с данни). Следователно това прави входа на инвертора на логическо ниво "0", което води до логическо "1" изходно ниво (принципи на инвертора).

Една страна на резистор R вече е свързана къмлогическото "1" ниво (+ 5V), докато другата страна на резистора е свързана към кондензатор, C, който е на ниво "0" (0.8v или по-ниско). Кондензаторът сега започва да се зарежда в положителна посока през резистора със скорост, определена от постоянното време на RC на комбинацията.

Когато зарядът в кондензатора достигне1,6-волтово горно ниво на тригера на Schmitt (стойност на таблицата), изходът от инвертора на Schmitt бързо се променя от логическо ниво „1” към логическо ниво „0” и токът, преминаващ през резистора, променя посоката.

Тази промяна сега причинява кондензатор, който бешепървоначално зареждане през резистор, R да започне да се освобождава обратно през същия резистор, докато зарядът в кондензаторните платки достигне ниското прагово ниво от 0,8 волта, а изходът на инверторите превключва отново, като цикълът се повтаря отново и отново докато захранващото напрежение е налично.

Така че кондензаторът С постоянно се зарежда иразтоварване по време на всеки цикъл между горните и долните прагови нива на инвертора Schmitt, произвеждащи логическо ниво “1” или логическо ниво “0” на изхода на инверторите. Въпреки това, изходната форма на вълната не е симетрична, произвеждайки работен цикъл от около 33% или 1/3, тъй като съотношението марка-пространство между „HIGH“ и „LOW“ е съответно 1: 2, дължащо се на характеристиките на входната врата на TTL инвертор.

Стойността на резистора за обратна връзка, (R) ТРЯБВАсъщо така да се държат ниски до под 1kΩ за веригата да се колебае правилно, 220R до 470R е добро, и чрез промяна на стойността на кондензатор, С да се различават честотата. Също така при високи честотни нива изходната форма на вълната променя формата си от квадратна форма на вълната до форма на трапецовидна форма, тъй като входните характеристики на TTL портата се влияят от бързото зареждане и разреждане на кондензатора. Честотата на трептене за Генератори на вълновата форма на Schmitt следователно се дава като:

Честота на вълната на Шмит

Шмит генератор на нестабилни вълни

С резистор стойност между: 100R до 1kΩ, и кондензатор стойност между: 1nF до 1000uF. Това би дало честотен диапазон между 1Hz до 1MHz (високите честоти предизвикват изкривяване на вълната).

Като цяло, стандартните TTL логически портали не работяттвърде добре като генератори на форма на вълната поради техните средни входни и изходни характеристики, изкривяване на изходната форма на вълната и ниска стойност на резистор за обратна връзка, което води до голям кондензатор с висока стойност за нискочестотна работа.

Също така TTL осцилатори не може да осцилира, акостойността на кондензатора за обратна връзка е твърде малка. Въпреки това, ние също можем да направим Astable мултивибратори използвайки по-добра CMOS логическа технология, която работи от 3V до 15V захранване като CMOS 40106B Schmitt Inverter.

CMOS 40106 е единичен входен инвертор ссъщото действие на Шмит като TTL 74LS14, но с много добра устойчивост на шум, висока пропускателна способност, висока печалба и отлични входно / изходни характеристики за получаване на по-квадратна изходна вълна, както е показано по-долу.

CMOS генератор на вълни Schmitt

CMOS Schmitt генератор на вълновата форма

Схемата на генераторите на сигнали на Шмит заCMOS 40106 е същата като тази за предишния инвертор TTL 74LS14, с изключение на добавянето на 10kΩ резистор, който се използва за предотвратяване на повреда на кондензатора от чувствителните входни транзистори MOSFET, тъй като се разтоварва бързо при по-високи честоти.

Съотношението маркер-пространство е по-равномерно съпоставенооколо 1: 1 с обратна връзка резистор увеличава до под 100kΩ в резултат на по-малък и по-евтин кондензатор, C. Честотата на трептене не може да бъде същата като: (1 / 1.2RC) като CMOS входни характеристики са различни от TTL. С резистор стойност между: 1kΩ и 100kΩ, и кондензатор стойност между: 1pF до 100uF. Това ще даде честотен диапазон между 0.1Hz до 100kHz.

Инверторни генератори на Schmitt може да се направи и от различнилогически порти, свързани към инверторна схема. Основната верига на Шмит с нестабилна мултивибраторна верига може лесно да се модифицира с някои допълнителни компоненти, за да произвежда различни изходи или честоти. Например, две обратни сигнали или множество честоти и чрез промяна на фиксирания резистор за обратна връзка към потенциометър, изходната честота може да се променя, както е показано по-долу.

Генератори на сигнали с часовник

генератор на вълнови сигнали

В първата верига по-горе, допълнителен ШмитИнверторът е добавен към изхода на генератора на вълни на Шмит, за да произведе втора форма на вълната, която е обратна или огледална картина на първата, произвеждаща две допълнителни изходни вълнови форми, така че когато един изход е „ВИСОКА“, другият е „LOW“. Този втори инвертор на Schmitt също подобрява формата на обратната изходна форма на вълната, но добавя малка "закъснение на врата" към него, така че не е точно в синхрон с първата.

Също така, изходната честота на осцилатораверигата може да се променя чрез промяна на фиксирания резистор, R в потенциометър, но все още е необходим по-малък резистор на обратната връзка, за да се предотврати прекъсването на потенциометъра от инвертора, когато неговата минимална стойност е 0Ω.

светодиоден транзисторен ключ

Можем да използваме и двете допълващи се резултати, Qи Q на първата верига за алтернативно светкавица от два комплекта светлини или светодиоди чрез свързване на техните изходи директно към базите на два комутиращи транзистора, както е показано.

По този начин един или няколко светодиода са свързанизаедно в серия с колектора на превключващите транзистори, което води до редуващи се светкавици на всеки набор от светодиоди, тъй като всеки транзистор се включва „ВКЛ.

Също така, когато се използва този тип верига, не забравяйте да се изчисли подходящ резистор серия, R за ограничаване на LED ток до под 20 mA (червени LED) за напрежение, което използвате.

За да се генерира много ниска честота на изхода на няколко херца, за да мигат светодиодите, генераторите на вълновата форма на Шмит използват кондензатори с висока стойност, които сами по себе си могат да бъдат големи и скъпи.

Едно алтернативно решение е използването на по-малкостойност кондензатор за генериране на много по-висока честота, да речем 1kHz или 10kHz, и след това разделете тази основна тактова честота надолу в отделни по-малки до необходимата ниска честота стойност се постига, и втората верига по-горе прави точно това.

По-долната верига по-горе показва осцилатораизползва се за задвижване на часовника на брояча на пулсациите. Броячи на броячи са всъщност редица тригери, разделени на 2, тип D, които се каскадират заедно, за да образуват един единствен брояч на разделянето на N, където N е равен на битовия брой на броячите, като например CMOS 4024 7-bit. Ripple Counter или CMOS 4040 12-bit Ripple Counter.

Фиксираната тактова честота се произвежда от Шмитверигата на нестабилен часовник е разделена на няколко различни подчестоти, като ƒ ÷ 2, ÷, 4,, ÷ 8,, ÷ 256 и т.н., до максималната стойност „Разделяне по n“ на вълнението използва се брояч. Този процес на използване или на "джапанки", "двоични броячи" или "броячи на пулсации" за разделяне на основна фиксирана тактова честота на различни подчестоти е известен като честотно разделяне и можем да го използваме, за да получим редица честотни стойности генератор на една вълнова форма.

NAND Gate Waveform Generators

Генератори на вълновата форма на Schmitt може да се направи и с помощта на стандартен CMOS Logic NANDВратите са свързани, за да произвеждат инверторна верига. Тук, две NAND порти са свързани заедно, за да произвеждат друг тип RC релаксация осцилатор верига, която ще генерира квадратна вълна форма форма на вълната, както е показано по-долу.

NAND Gate Waveform Generator

nand часовник генератор на вълни

В този тип верига генератор на вълни,RC мрежа се формира от резистор, R1 и кондензатор, C с тази RC мрежа се контролира от изхода на първата NAND порта. Изходът от тази R1C мрежа се подава обратно към входа на първата NAND порта чрез резистор, R2 и когато напрежението за зареждане на кондензатора достигне горното прагово ниво на първата NAND порта, NAND портата променя състоянието, което причинява втория NAND порта да го следват, като по този начин променят състоянието и произвеждат промяна в нивото на продукцията.

Напрежението в мрежата R1C е сегаобърнат и кондензаторът започва да се освобождава през резистора, докато достигне долното прагово ниво на първата NAND порта, което води до промяна на състоянието на двете врати. Подобно на предишната верига на генераторите на сигнали на Шмит по-горе, честотата на колебание се определя от времевата константа R1C, която е дадена като: 1 / 2.2R1C. Като цяло R2 се дава стойност, която е 10 пъти стойността на резистор R1.

Когато се изисква висока стабилност или гарантирано самостоятелно стартиране, CMOS генератори на сигнали може да се направи с помощта на три инвертиращи NAND порта иливсякакви три логически инвертора за този въпрос, свързани заедно, както е показано по-долу, произвеждащи верига, която понякога се нарича "пръстен от три" генератор на вълни. Честотата на колебание се определя отново от времевата константа R1C, същата като за горния осцилатор с две врати и която се дава като: 1 / 2.2R1C, когато R2 има стойност, която е 10 пъти стойността на резистора, R1.

Стабилен NAND Gate Waveform Generator

стабилен генератор на вълни на NAND порта

Добавянето на допълнителни гаранции за NAND портаче осцилатор ще започне дори и с много ниски стойности на кондензатор. Също така стабилността на генератора на сигнали е значително подобрена, тъй като е по-малко податлива на промени в захранването поради това, че нивото му на задействане на прага е почти половината от захранващото напрежение.

Размерът на стабилност се определя главно от честотата на трептенията и като цяло, колкото по-ниска е честотата, толкова по-стабилен става осцилаторът.

Тъй като този тип генератор на сигнали работи впочти половината или 50% от захранващото напрежение, произтичащата форма на вълната има почти 50% работен цикъл, съотношение марка 1: 1. Генераторът на три вълнообразната форма има много предимства пред предишните два осцилатора по-горе, но неговият голям недостатък е, че използва допълнителна логическа порта.

Генератор на формата на сигнала на пръстена

Видяхме по-горе Генератори на сигнали може да се направи и с TTL, и с по-добър CMOSлогическа технология с RC мрежа, произвеждаща времево закъснение в рамките на веригата, когато е свързана през една, две или дори три логически порта, за да образува прост RC релаксационен осцилатор. Но ние също можем да направим генератори на сигнали, използвайки само Logic NOT Gates или с други думи инвертори без допълнителни пасивни компоненти, свързани с тях.

Чрез свързването заедно ODD номер (3, 5, 7, 9 и т.н.) на НЕ гейтс за образуване на a"Пръстен" верига, така че изходът на пръстена е свързан направо обратно към входа на пръстена веригата ще продължи да осцилира като логическо ниво "1" непрекъснато се върти около мрежата произвеждаща изходна честота, която се определя от разпространение закъснения на използваните инвертори.

Генератор на вълновите сигнали

верига на генератор на вълнообразна форма

Честотата на колебание се определя отобщото забавяне на разпространението на инверторите, използвани в рамките на пръстена и което се определя от вида на технологията на врата, TTL, CMOS, BiCMOS, от която е направен инверторът. Закъснението на разпространението или времето на разпространение е общото време, което е необходимо (обикновено в наносекунди) за преминаване на сигнала през инвертора от логиката "0", която достига до входа, като произвежда логика "1" на изхода.

Също така за този тип генератор на вълнови форми на пръстенаколебанията във веригата на захранващото напрежение, температурата и капацитета на натоварване влияят на закъснението на разпространението на логическите порти. Обикновено средните данни за закъснение на разпространението ще бъдат дадени в информационните листове на производителя за вида на цифровите логически елементи, които се използват с честотата на трептене, дадена като:

уравнение на честотата на пръстенния осцилатор

Където: ƒ е честотата на осцилация, n е броят на използваните порти и Tp е забавянето на разпространението за всяка врата.

Например, да приемем, че една проста схема на генератор на вълни има 5 отделни инвертора, свързани заедно в серия, за да образуват a Пръстен осцилатор, забавянето на разпространението за всеки инвертор се дава като 8ns. Тогава честотата на трептенията ще бъде дадена като:

честота на пръстеновия осцилатор

Разбира се, това всъщност не е практичноосцилатор, дължащ се главно на неговата нестабилност и много висока честота на трептене, 10-те на Megahertz в зависимост от вида на използваната технология на логическите входове, а в нашия прост пример той е изчислен като 12.5MHz !!. Изходната честота на пръстеновия осцилатор може да бъде "настроена" малко чрез промяна на броя на инверторите, използвани в рамките на пръстена, но е много по-добре да се използва по-стабилен RC генератор на вълни като тези, които сме обсъдили по-горе.

Въпреки това, той показва, че логическите порти могатда бъдат свързани заедно, за да произвеждат логически базирани генератори на сигнали и лошо проектираните цифрови схеми с много порти, сигнални пътеки и обратни вериги са известни, че колебаят неволно.

Чрез използване на RC мрежа през инвертораверигата, честотата на трептенията може да бъде точно контролирана, произвеждайки по-практична астелационна верига за релаксация за използване в много общи електронни приложения.

В следващия урок за Waveforms и WaveformГенерация, ние ще разгледаме 555 таймера, който е един от най-популярните и универсални интегрални схеми, произведени някога, които могат да генерират широк спектър от различни форми на сигнали и синхронизирани сигнали от моностабилни до нестабилни мултивибратори.

Коментари (0)
Добави коментар